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技術 導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザ

出願人 アンリツ株式会社
発明者 河村尚志
出願日 2019年2月25日 (1年9ヶ月経過) 出願番号 2019-031253
公開日 2020年8月31日 (2ヶ月経過) 公開番号 2020-137031
状態 特許登録済
技術分野 ウェーブガイドスイッチ, 偏分波器, 移相器 導波管型の結合装置 周波数測定,スペクトル分析
主要キーワード 機械公差 導波管スイッチ 解析周波数 スペクトラム解析 接続導波管 導波管ブロック スペクトラム特性 測定周波数範囲
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課題

被試験対象導波管と異種の導波管とを接続する際に、所望の使用周波数帯域において高次モードの発生を抑えることができる導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザを提供する。

解決手段

UT200の導波管210から出力されるミリ波帯の電磁波を伝搬させる入力導波管31が端面30aから端面30bまで貫通形成された入力導波管ブロック30と、DUT200の導波管210と、入力導波管31の端面30a側とを接続する補助導波管10と、を備え、入力導波管31と補助導波管10はリッジ構造を有しており、補助導波管10の端面10aにおける開口の寸法がDUT200の導波管210の開口の寸法に等しく、補助導波管10の端面10bにおける開口の寸法が入力導波管31の端面30aにおける開口の寸法に等しい。

概要

背景

近年の情報化社会発展とともに、各種通信で用いられる情報量は増大し、従来使用されたマイクロ波帯での周波数資源不足している。そのため、各種アプリケーションは年々高い周波数領域へと移行し、それらアプリケーションの評価に用いられる測定器スペクトラムアナライザ)に要求される解析周波数もマイクロ波帯からミリ波帯へと移行してきている。

また、スペクトラムアナライザ単体で測定できる上限周波数(例えば60GHz)を越える(100GHzを越えるような)周波数の信号を解析する場合には、スペクトラムアナライザの外部にダウンコンバータフロントエンドとして接続し、このフロントエンドに被測定信号を入力するのが一般的である。

100GHzを超える周波数帯電磁波を伝搬させるフロントエンドの前段においては、電磁波の伝搬経路として一般に導波管が用いられる。導波管は、カットオフ周波数以下の帯域の電磁波の透過を制限するハイパスフィルタとして働くため、フロントエンドは導波管の使用周波数帯域ごとに作製されることになる。例えば140GHz〜330GHzをカバーする場合、WR−3帯のフロントエンド、WR−4帯のフロントエンド、及びWR−5帯のフロントエンドを用いることになる。これらのフロントエンドをまとめて1つの広帯域スペクトラムアナライザを構成する場合、図11に示すような構成が想定される。このとき、被試験対象(Device Under Test:DUT)200からの信号を各フロントエンド70a〜70cに切り替え導波管スイッチ220が必要となる(例えば、特許文献1参照)。

図11に示す広帯域スペクトラムアナライザは、導波管スイッチ220とフロントエンド70a〜70cに加えて、補助導波管230と、スイッチ81,82と、ローカル信号発生器83と、スペクトラム解析部90と、表示部93と、操作部94と、制御部95と、を備える。

補助導波管230は、DUT200の導波管210から出力されるミリ波帯の被測定信号の電磁波を伝搬させるテーパ導波管であり、DUT200の導波管210と、導波管スイッチ220の入力導波管231とを滑らかに接続する。ローカル信号発生器83は、被測定信号を中間周波数帯に変換するためのローカル信号を出力するようになっている。スイッチ81は、導波管スイッチ220により選択されたフロントエンド70a〜70cに、ローカル信号発生器83から出力されたローカル信号を出力するようになっている。一方、スイッチ82は、導波管スイッチ220により選択されたフロントエンド70a〜70cから出力された中間周波数帯の信号を選択して、スペクトラム解析部90に出力するようになっている。

スペクトラム解析部90は、各フロントエンド70a〜70cによって中間周波数帯に変換された被測定信号に対するスペクトラム解析を行うようになっている。スペクトラム解析部90によって検出された被測定信号のスペクトラムの情報は表示部93に出力され、例えば測定周波数横軸信号レベル縦軸とする画面上にスペクトラム波形が表示される。制御部95は、ユーザによる操作部94への操作に応じて、導波管スイッチ220、スイッチ81,82の切替え、スペクトラム解析部90への解析に必要な情報の伝達等の処理を行うようになっている。

導波管スイッチ220は、可動部を水平に移動させることで出力導波管を切り替えることが可能であり、例えば1対3のスイッチの実現が可能である。このとき、導波管スイッチ220の入力導波管231をどのように選択するかが問題となる。前述のとおり導波管は、ハイパスフィルタとして動作する。このことより、使用する全ての周波数の電磁波を透過させるためには、使用周波数帯域の下限周波数がカットオフ周波数より高くなる必要がある。よって、図11の例では、入力導波管231としてWR−5導波管を用いることになる。

概要

被試験対象の導波管と異種の導波管とを接続する際に、所望の使用周波数帯域において高次モードの発生を抑えることができる導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザを提供する。DUT200の導波管210から出力されるミリ波帯の電磁波を伝搬させる入力導波管31が端面30aから端面30bまで貫通形成された入力導波管ブロック30と、DUT200の導波管210と、入力導波管31の端面30a側とを接続する補助導波管10と、を備え、入力導波管31と補助導波管10はリッジ構造を有しており、補助導波管10の端面10aにおける開口の寸法がDUT200の導波管210の開口の寸法に等しく、補助導波管10の端面10bにおける開口の寸法が入力導波管31の端面30aにおける開口の寸法に等しい。

目的

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、被試験対象の導波管と異種の導波管とを接続する際に、所望の使用周波数帯域において高次モードの発生を抑えることができる導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザを提供する

効果

実績

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請求項1

被試験対象(200)の導波管(210)から出力されるミリ波帯電磁波を伝搬させる入力導波管(31)が第1の端面(30a)から第2の端面(30b)まで貫通形成された入力導波管ブロック(30)と、前記被試験対象の前記導波管と、前記入力導波管の前記第1の端面側とを接続する補助導波管(10)と、を備える導波管接続構造において、前記入力導波管と前記補助導波管はリッジ構造を有しており、前記補助導波管の前記被試験対象に対向する一方の端面(10a)における開口の寸法が前記被試験対象の前記導波管の開口の寸法に等しく、前記補助導波管の前記入力導波管ブロックに対向する他方の端面(10b)における開口の寸法が前記入力導波管の前記第1の端面における開口の寸法に等しいことを特徴とする導波管接続構造。

請求項2

前記補助導波管は、前記一方の端面から前記他方の端面に向かって開口の寸法が連続的に変化するテーパ導波管であることを特徴とする請求項1に記載の導波管接続構造。

請求項3

前記入力導波管及び前記補助導波管の前記リッジ構造は、前記入力導波管及び前記補助導波管の開口の断面形状が両側部(31b,31c)の高さに対して中央部(31a)の高さが小となるダブルリッジ構造であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の導波管接続構造。

請求項4

前記請求項1から請求項3のいずれかに記載の導波管接続構造における前記補助導波管に接続される前記入力導波管が形成された前記入力導波管ブロックを固定するベース部(21)と、前記ベース部に支持され、前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させる複数の接続導波管(41〜43)が、前記入力導波管ブロックの前記第2の端面に平行に対向する第3の端面(40a)から第4の端面(40b)まで貫通形成された接続導波管ブロック(40)と、前記ベース部に固定され、前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させる複数の出力導波管(51〜53)が、前記接続導波管ブロックの前記第4の端面に平行に対向する第5の端面(50a)から第6の端面(50b)まで貫通形成された出力導波管ブロック(50)と、を備え、前記接続導波管ブロックは、前記入力導波管ブロック及び前記出力導波管ブロックに対してスライド移動し、異なる複数の位置で、前記入力導波管と前記複数の出力導波管とを選択的に接続させ、前記複数の接続導波管の前記第3の端面における開口の寸法が前記入力導波管の前記第2の端面における開口の寸法に等しく、前記複数の接続導波管の前記第4の端面における開口の寸法が前記複数の出力導波管の前記第5の端面における開口の寸法にそれぞれ等しいことを特徴とする導波管スイッチ

請求項5

前記入力導波管は、前記複数の出力導波管のうち最も使用周波数帯域が高い出力導波管の開口の寸法と等しい寸法の開口を有する導波管に、前記リッジ構造を設けたものであることを特徴とする請求項4に記載の導波管スイッチ。

請求項6

前記複数の接続導波管は、リッジ構造を有しており、前記第3の端面から前記第4の端面に向かって開口の寸法が連続的に変化するテーパ導波管であることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の導波管スイッチ。

請求項7

前記請求項4から請求項6のいずれかに記載の導波管スイッチと、互いに異なる使用周波数帯域を有し、前記被測定信号をそれぞれ所定の中間周波数帯に変換する複数の中間周波数変換部(70a〜70c)と、各前記中間周波数変換部によって前記中間周波数帯に変換された信号を受けて、各前記使用周波数帯域を含む測定周波数範囲における前記被測定信号のスペクトラム解析を行うスペクトラム解析部(90)と、を備えるミリ波帯スペクトラムアナライザであって、前記導波管スイッチは、前記複数の出力導波管の前記第6の端面側がそれぞれ前記複数の中間周波数変換部に接続されており、前記被試験対象の前記導波管から出力されるミリ波帯の前記被測定信号の電磁波を、所望の使用周波数帯域を有する前記中間周波数変換部に選択的に出力することを特徴とするミリ波帯スペクトラムアナライザ。

技術分野

0001

本発明は、導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザに関する。

背景技術

0002

近年の情報化社会発展とともに、各種通信で用いられる情報量は増大し、従来使用されたマイクロ波帯での周波数資源不足している。そのため、各種アプリケーションは年々高い周波数領域へと移行し、それらアプリケーションの評価に用いられる測定器(スペクトラムアナライザ)に要求される解析周波数もマイクロ波帯からミリ波帯へと移行してきている。

0003

また、スペクトラムアナライザ単体で測定できる上限周波数(例えば60GHz)を越える(100GHzを越えるような)周波数の信号を解析する場合には、スペクトラムアナライザの外部にダウンコンバータフロントエンドとして接続し、このフロントエンドに被測定信号を入力するのが一般的である。

0004

100GHzを超える周波数帯電磁波を伝搬させるフロントエンドの前段においては、電磁波の伝搬経路として一般に導波管が用いられる。導波管は、カットオフ周波数以下の帯域の電磁波の透過を制限するハイパスフィルタとして働くため、フロントエンドは導波管の使用周波数帯域ごとに作製されることになる。例えば140GHz〜330GHzをカバーする場合、WR−3帯のフロントエンド、WR−4帯のフロントエンド、及びWR−5帯のフロントエンドを用いることになる。これらのフロントエンドをまとめて1つの広帯域スペクトラムアナライザを構成する場合、図11に示すような構成が想定される。このとき、被試験対象(Device Under Test:DUT)200からの信号を各フロントエンド70a〜70cに切り替える導波管スイッチ220が必要となる(例えば、特許文献1参照)。

0005

図11に示す広帯域スペクトラムアナライザは、導波管スイッチ220とフロントエンド70a〜70cに加えて、補助導波管230と、スイッチ81,82と、ローカル信号発生器83と、スペクトラム解析部90と、表示部93と、操作部94と、制御部95と、を備える。

0006

補助導波管230は、DUT200の導波管210から出力されるミリ波帯の被測定信号の電磁波を伝搬させるテーパ導波管であり、DUT200の導波管210と、導波管スイッチ220の入力導波管231とを滑らかに接続する。ローカル信号発生器83は、被測定信号を中間周波数帯に変換するためのローカル信号を出力するようになっている。スイッチ81は、導波管スイッチ220により選択されたフロントエンド70a〜70cに、ローカル信号発生器83から出力されたローカル信号を出力するようになっている。一方、スイッチ82は、導波管スイッチ220により選択されたフロントエンド70a〜70cから出力された中間周波数帯の信号を選択して、スペクトラム解析部90に出力するようになっている。

0007

スペクトラム解析部90は、各フロントエンド70a〜70cによって中間周波数帯に変換された被測定信号に対するスペクトラム解析を行うようになっている。スペクトラム解析部90によって検出された被測定信号のスペクトラムの情報は表示部93に出力され、例えば測定周波数横軸信号レベル縦軸とする画面上にスペクトラム波形が表示される。制御部95は、ユーザによる操作部94への操作に応じて、導波管スイッチ220、スイッチ81,82の切替え、スペクトラム解析部90への解析に必要な情報の伝達等の処理を行うようになっている。

0008

導波管スイッチ220は、可動部を水平に移動させることで出力導波管を切り替えることが可能であり、例えば1対3のスイッチの実現が可能である。このとき、導波管スイッチ220の入力導波管231をどのように選択するかが問題となる。前述のとおり導波管は、ハイパスフィルタとして動作する。このことより、使用する全ての周波数の電磁波を透過させるためには、使用周波数帯域の下限周波数がカットオフ周波数より高くなる必要がある。よって、図11の例では、入力導波管231としてWR−5導波管を用いることになる。

先行技術

0009

特許第6185455号公報

発明が解決しようとする課題

0010

しかしながら、WR−5導波管である入力導波管にWR−3又はWR−4導波管を備えるDUTを接続した場合、導波管接続構造のずれにより透過特性リップルが生じるなどの課題が存在する。例えば、図12に示すように、WR−3導波管をテーパ導波管によりWR−5導波管に接続し、再度WR−3導波管に接続したモデルシミュレーション結果を図13に示す。ここで、図12シミュレーションモデルは、WR−3導波管であるDUT200の導波管210に対して、導波管スイッチ220によりWR−3帯のフロントエンド70cが選択された状況に相当する。図13(a)は導波管同士の接続がx,y方向にずれのない(上下左右対称な)位置に接続されている場合であり、図13(b)は、中央のWR−5導波管がx,y方向にそれぞれ0.02mmずれて2つのWR−3導波管に接続された場合を示している。図13(a)より、ずれのない場合は、WR−3導波管の透過帯域220GHz〜330GHzにおいて、透過特性S21が大きな周波数特性を持たないことが分かる。

0011

しかしながら、図13(b)を見ると240GHz付近から330GHzの間に透過特性S21が低下する周波数があることが分かる。これは、WR−5導波管の高次モードが231.4GHz以上で発生したことによって引き起こされた現象であると推定される。上記の0.02mmのずれ量は、機械公差を考慮すると実際に生じる可能性が大きいものである。また、透過特性S21の低下量は、ずれの位置関係により変化するため、キャリブレーションによりあらかじめ取り除くことも困難である。このため、この透過特性S21の低下はスペクトラムアナライザの性能を劣化させることになる。

0012

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、被試験対象の導波管と異種の導波管とを接続する際に、所望の使用周波数帯域において高次モードの発生を抑えることができる導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0013

上記課題を解決するために、本発明に係る導波管接続構造は、被試験対象の導波管から出力されるミリ波帯の電磁波を伝搬させる入力導波管が第1の端面から第2の端面まで貫通形成された入力導波管ブロックと、前記被試験対象の前記導波管と、前記入力導波管の前記第1の端面側とを接続する補助導波管と、を備える導波管接続構造において、前記入力導波管と前記補助導波管はリッジ構造を有しており、前記補助導波管の前記被試験対象に対向する一方の端面における開口の寸法が前記被試験対象の前記導波管の開口の寸法に等しく、前記補助導波管の前記入力導波管ブロックに対向する他方の端面における開口の寸法が前記入力導波管の前記第1の端面における開口の寸法に等しい構成である。

0014

この構成により、本発明に係る導波管接続構造は、被試験対象の導波管と異種の入力導波管とを接続する際に、所望の使用周波数帯域において高次モードの発生を抑えることができる。

0015

また、本発明に係る導波管接続構造においては、前記補助導波管は、前記一方の端面から前記他方の端面に向かって開口の寸法が連続的に変化するテーパ導波管であってもよい。

0016

この構成により、本発明に係る導波管接続構造は、補助導波管における無用反射の発生を防止しながら、被試験対象の導波管と入力導波管とを接続することができる。

0017

また、本発明に係る導波管接続構造においては、前記入力導波管及び前記補助導波管の前記リッジ構造は、前記入力導波管及び前記補助導波管の開口の断面形状が両側部の高さに対して中央部の高さが小となるダブルリッジ構造であってもよい。

0018

また、本発明に係る導波管スイッチは、上記のいずれかに記載の導波管接続構造における前記補助導波管に接続される前記入力導波管が形成された前記入力導波管ブロックを固定するベース部と、前記ベース部に支持され、前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させる複数の接続導波管が、前記入力導波管ブロックの前記第2の端面に平行に対向する第3の端面から第4の端面まで貫通形成された接続導波管ブロックと、前記ベース部に固定され、前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させる複数の出力導波管が、前記接続導波管ブロックの前記第4の端面に平行に対向する第5の端面から第6の端面まで貫通形成された出力導波管ブロックと、を備え、前記接続導波管ブロックは、前記入力導波管ブロック及び前記出力導波管ブロックに対してスライド移動し、異なる複数の位置で、前記入力導波管と前記複数の出力導波管とを選択的に接続させ、前記複数の接続導波管の前記第3の端面における開口の寸法が前記入力導波管の前記第2の端面における開口の寸法に等しく、前記複数の接続導波管の前記第4の端面における開口の寸法が前記複数の出力導波管の前記第5の端面における開口の寸法にそれぞれ等しい構成である。

0019

この構成により、本発明に係る導波管スイッチは、スペクトラムアナライザに適用された場合に、被試験対象の導波管と異種の入力導波管との接続によるスペクトラムアナライザの性能劣化を抑制することができる。

0020

また、本発明に係る導波管スイッチにおいては、前記入力導波管は、前記複数の出力導波管のうち最も使用周波数帯域が高い出力導波管の開口の寸法と等しい寸法の開口を有する導波管に、前記リッジ構造を設けたものであってもよい。

0021

この構成により、本発明に係る導波管スイッチは、最も使用周波数帯域が低い出力導波管51の使用周波数帯域の下限以下まで入力導波管の透過帯域を伸ばすとともに、最も使用周波数帯域が高い出力導波管の使用周波数帯域の上限まで入力導波管における高次モードの発生を抑えることができる。

0022

また、本発明に係る導波管スイッチにおいては、前記複数の接続導波管は、リッジ構造を有しており、前記第3の端面から前記第4の端面に向かって開口の寸法が連続的に変化するテーパ導波管であってもよい。

0023

この構成により、本発明に係る導波管スイッチは、各接続導波管における無用な反射の発生を防止しながら、入力導波管と複数の出力導波管とを接続することができる。

0024

また、本発明に係るミリ波帯スペクトラムアナライザは、上記のいずれかに記載の導波管スイッチと、互いに異なる使用周波数帯域を有し、前記被測定信号をそれぞれ所定の中間周波数帯に変換する複数の中間周波数変換部と、各前記中間周波数変換部によって前記中間周波数帯に変換された信号を受けて、各前記使用周波数帯域を含む測定周波数範囲における前記被測定信号のスペクトラム解析を行うスペクトラム解析部と、を備えるミリ波帯スペクトラムアナライザであって、前記導波管スイッチは、前記複数の出力導波管の前記第6の端面側がそれぞれ前記複数の中間周波数変換部に接続されており、前記被試験対象の前記導波管から出力されるミリ波帯の前記被測定信号の電磁波を、所望の使用周波数帯域を有する前記中間周波数変換部に選択的に出力する構成である。

0025

この構成により、本発明に係るミリ波帯スペクトラムアナライザは、上記の構成の導波管スイッチにより所望の使用周波数帯域を有する中間周波数変換部を選択できるため、被試験対象の導波管と異種の入力導波管との接続による性能劣化を抑制することができる。

発明の効果

0026

本発明は、被試験対象の導波管と異種の導波管とを接続する際に、所望の使用周波数帯域において高次モードの発生を抑えることができる導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザを提供するものである。

図面の簡単な説明

0027

本発明の実施形態に係る導波管接続構造を備えるミリ波帯スペクトラムアナライザの構成図である。
(a)は本発明の実施形態に係る導波管接続構造における入力導波管の斜視図であり、(b)は本発明の実施形態に係る導波管接続構造における入力導波管の電磁波の伝搬方向に垂直な断面図である。
WR−3導波管(リッジ構造あり)とWR−3導波管(リッジ構造なし)の透過特性のシミュレーション結果を示すグラフである。
本発明の実施形態に係る導波管接続構造における各種導波管のリッジ構造の他の例を示す断面図である。
本発明の実施形態に係る導波管スイッチの動作説明図である。
本発明の実施形態に係る導波管接続構造のシミュレーションモデルを示す断面図である。
DUTの導波管をWR−5導波管とした図6のシミュレーションモデルの周波数特性を示すグラフである。
DUTの導波管をWR−4導波管としたシミュレーションモデルの周波数特性を示すグラフである。
DUTの導波管をWR−3導波管としたシミュレーションモデルの周波数特性を示すグラフである。
本発明の実施形態に係るミリ波帯スペクトラムアナライザが備えるフロントエンドの構成図である。
従来のミリ波帯スペクトラムアナライザの構成図である。
従来の導波管接続構造のシミュレーションモデルを示す断面図である。
(a)は図12のシミュレーションモデルにおいて導波管同士の接続にずれがない場合のシミュレーション結果を示すグラフであり、(b)は図12のシミュレーションモデルにおいて導波管同士の接続にずれがある場合のシミュレーション結果を示すグラフである。

実施例

0028

以下、本発明に係る導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザの実施形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致していない。

0029

図1は、本発明の実施形態の導波管接続構造を備えるミリ波帯スペクトラムアナライザ100(以下、単にスペクトラムアナライザ100と記す)の全体構成を示している。このスペクトラムアナライザ100は、DUT200が備える導波管210から出力されるミリ波帯の被測定信号のスペクトラム特性を求めるものである。DUT200としては、例えば信号発生器無線機などの100GHzを超える周波数の信号を発生させる機器を想定している。スペクトラムアナライザ100は、例えば、補助導波管10と、導波管スイッチ20と、中間周波数変換部としてのフロントエンド70a〜70cと、スイッチ81,82と、ローカル信号発生器83と、スペクトラム解析部90と、表示部93と、操作部94と、制御部95と、を備える。

0030

補助導波管10は、DUT200の導波管210から出力されるミリ波帯の被測定信号の電磁波を伝搬させる導波管であり、DUT200の導波管210と、後述する導波管スイッチ20の入力導波管ブロック30における入力導波管31の第1の端面30a側とを滑らかに接続するようになっている。なお、補助導波管10及び入力導波管ブロック30は、本実施形態の導波管接続構造を構成する。

0031

この補助導波管10はDUT200の導波管210のサイズごとに別に用意する必要がある。補助導波管10のDUT200に対向する一方の端面10aにおける開口の寸法は、DUT200の導波管210(例えば方形導波管)の開口の寸法に等しくなっている。また、補助導波管10の入力導波管ブロック30に対向する他方の端面10bにおける開口の寸法は、入力導波管31の第1の端面30aにおける開口の寸法に等しくなっている。なお、2つの開口の寸法が等しいとは、両者が完全に一致することのみを意味するものではなく、各導波管の製造ばらつきの範囲内で互いに等しいことをいう。補助導波管10内における無用な反射の発生を防止するため、補助導波管10は、DUT200に対向する一方の端面10aから、入力導波管ブロック30に対向する他方の端面10bに向かって、開口の寸法が連続的に変化するテーパ導波管となっている。

0032

導波管スイッチ20は、補助導波管10から出力されたミリ波帯の被測定信号の電磁波を、後段のフロントエンド70a〜70cに選択的に出力するためのものであり、ベース部21と、入力導波管ブロック30と、接続導波管ブロック40と、出力導波管ブロック50と、駆動装置60と、を有している。

0033

ベース部21の上面側には、入力導波管ブロック30と出力導波管ブロック50が固定され、接続導波管ブロック40がスライド移動可能に支持されている。入力導波管ブロック30は、x方向に延び、外形が横長矩形で厚さ一定の金属板からなり、第1の端面30aの中央からその反対側の第2の端面30bの中央までz方向に沿って貫通する入力導波管31が形成されている。入力導波管31は、補助導波管10を介して、DUT200の導波管210から出力されたミリ波帯の被測定信号の電磁波を伝搬させるようになっている。

0034

図2(a),(b)に示すように、例えばこの金属壁で囲まれた入力導波管31は、電磁波の伝搬方向に垂直な開口の断面形状が両側部の高さに対して中央部の高さが小となるダブルリッジ構造を有している。入力導波管31においては、上下の内壁中央から互いに近づく方向に突出する2つの突出部32a,32bが長手方向に連続して形成されている。すなわち、入力導波管31の開口の中央部31aの高さh1が、開口の両側部31b,31cの高さh2に対して小に設定されている。なお、補助導波管10も入力導波管31と同様のダブルリッジ構造を有しており、特に、入力導波管31に対向する端面10bにおける開口の形状は、入力導波管31の第1の端面30aにおける開口の形状と同一であることが望ましい。

0035

スペクトラムアナライザ100の測定周波数範囲を例えば140GHz〜330GHzとする場合には、入力導波管31のカットオフ周波数は140GHz以下である必要がある。このような入力導波管31は、例えば、開口のサイズをh1=0.15mm、h2=0.432mm、w1=0.20mm、w2=0.332mm(すなわち、w1+2×w2=0.864mm)とすることで実現できる。つまり、この入力導波管31は、内寸が0.864mm×0.432mmであるWR−3導波管に、突出部32a,32bを設けたような構成となっている。図3のシミュレーション結果により、通常のWR−3導波管の透過特性S21と比較して、上記の構成の入力導波管31の透過特性S21においてカットオフ周波数が140GHzより十分に低下していることが確認できる。つまり、WR−3導波管に上記のようなダブルリッジ構造を設けることで、WR−5導波管と同等の低いカットオフ周波数を得ることができる。

0036

入力導波管ブロック30の第2の端面30bには、接続導波管ブロック40の第3の端面40aが、所定の隙間(例えば0.1mm程度)を持って平行に対向している。第2の端面30b側の入力導波管31の開口の周囲を囲む位置には、端面30b,40a間の隙間からの電磁波漏出を防止するためのチョーク溝が適宜設けられていてもよい。

0037

接続導波管ブロック40は、外形が略直方体の金属製で、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる複数(この例では3本)の接続導波管41〜43が、第3の端面40aから、第3の端面40aに平行な第4の端面40bまで貫通形成されている。

0038

また、各接続導波管41〜43の第3の端面40a側の開口の周囲を囲む位置にも、入力導波管ブロック30の第2の端面30bと同様に、端面30b,40a間の隙間からの電磁波漏出を防止するためのチョーク溝が適宜設けられていてもよい。

0039

なお、接続導波管ブロック40は、例えばベース部21の下面側に設けられた駆動装置60によって、入力導波管ブロック30及び出力導波管ブロック50に対してx方向にスライド移動される。この駆動装置60としては、例えばステッピングモータ駆動源とし、その回転力直進運動に変換して接続導波管ブロック40を支持する部材に伝達する構造を採用できるが、具体的な構造については任意である。

0040

接続導波管ブロック40の複数の接続導波管41〜43のy方向に沿った高さ位置(厳密には、端面側開口の高さ位置:以下同様)は、入力導波管ブロック30の入力導波管31の高さと一致している。駆動装置60により接続導波管ブロック40がx方向に移動すれば、入力導波管ブロック30の入力導波管31に対し、接続導波管ブロック40の複数の接続導波管41〜43が異なる3つの位置で選択的に接続されることになる。この場合の接続とは、端面間の隙間を介して互いの導波管の開口の中心位置が一致した状態を示すものとする。

0041

接続導波管ブロック40の第4の端面40bには、出力導波管ブロック50の第5の端面50aが所定の隙間(例えば0.1mm程度)を持って平行に対向している。各接続導波管41〜43の第4の端面40b側の開口の周囲を囲む位置には、端面40b,50a間の隙間からの電磁波漏出を防止するためのチョーク溝が適宜設けられていてもよい。

0042

複数の接続導波管41〜43の第3の端面40aにおける開口の寸法は、入力導波管31の第2の端面30bにおける開口の寸法に等しくなっている。また、複数の接続導波管41〜43の第4の端面40bにおける開口の寸法は、後述する複数の出力導波管51〜53(例えば方形導波管)の第5の端面50aにおける開口の寸法にそれぞれ等しくなっている。なお、複数の接続導波管41〜43も入力導波管31と同様のダブルリッジ構造を有しており、特に、入力導波管31に対向する第3の端面40aにおける開口の形状は、入力導波管31の第2の端面30bにおける開口の形状と同一であることが望ましい。複数の接続導波管41〜43内における無用な反射の発生を防止するため、複数の接続導波管41〜43は、第3の端面40aから第4の端面40bに向かって、開口の寸法が連続的に変化するテーパ導波管となっている。

0043

出力導波管ブロック50は、x方向に延び、外形が横長矩形で厚さ一定の金属板からなり、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる複数の出力導波管51〜53が第5の端面50aからその反対側の第6の端面50bまで貫通形成されている。図1の例では、出力導波管51はWR−5導波管であり、出力導波管52はWR−4導波管であり、出力導波管53はWR−3導波管である。つまり、入力導波管31は、複数の出力導波管51〜53のうち最も使用周波数帯域が高いWR−3導波管の出力導波管53の開口の寸法と等しい寸法の開口を有する導波管にリッジ構造を設けたものとなっている。

0044

出力導波管51〜53の第5の端面50a側の開口の周囲を囲む位置には、端面40b,50a間の隙間からの電磁波漏出を防止するためのチョーク溝が適宜設けられていてもよい。

0045

なお、上記の説明では、補助導波管10、入力導波管31、及び接続導波管41〜43がダブルリッジ構造を有しているとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、これらの導波管は、図4(a)に示すようなシングルリッジ構造や、図4(b)に示すようなクアッドリッジ構造などの任意のリッジ構造を有していてもよい。また、接続導波管41〜43と出力導波管51〜53の本数がそれぞれ3本であるとしたが、これらの導波管の本数はそれぞれ2本であってもよく、それぞれ4本以上であってもよい。

0046

図1及び図5に示す導波管スイッチ20の各導波管の位置関係について説明すると、中央の出力導波管52の第5の端面50a側の開口が、入力導波管ブロック30の入力導波管31の第2の端面30b側の開口と同心に並ぶようにベース部21上に固定されている。また、他の2つの出力導波管51,53は、それらの開口の中心位置を通る延長線が入力導波管31の開口の中心位置を通る延長線を対称に挟むように配置される。

0047

図5(a)の状態では、中央の接続導波管42の第3の端面40a側の開口は、入力導波管ブロック30の入力導波管31の第2の端面30b側の開口と同心に並んでいる。また、中央の接続導波管42の第4の端面40b側の開口は、出力導波管ブロック50の中央の出力導波管52の第5の端面50a側の開口と同心に並んでいる。他の2つの接続導波管41,43の第3の端面40a側の開口の中心位置は、入力導波管31の開口の中心位置を通る延長線を挟んで同一距離Lの位置に設けられる。また、2つの接続導波管41,43の第4の端面40b側の開口の中心位置は、出力導波管51,53の開口の中心位置を通る延長線からそれぞれ外側に同一距離Lの位置に設けられている。

0048

したがって、図5(a)の状態では、入力導波管31と出力導波管52の間が接続導波管42を介して接続された状態となる。また、図5(a)の状態から駆動装置60が接続導波管ブロック40を幅方向(x方向)に−Lだけ移動すれば、図5(b)のように、入力導波管31と出力導波管51の間が接続導波管41を介して接続された状態となる。また、図5(a)の状態から駆動装置60が接続導波管ブロック40をx方向にLだけ移動すれば、図5(c)のように、入力導波管31と出力導波管53の間が接続導波管43を介して接続された状態となる。このようにして、接続導波管ブロック40は、入力導波管ブロック30及び出力導波管ブロック50に対してスライド移動し、異なる複数の位置で、入力導波管31と複数の出力導波管51〜53とを選択的に接続させる。

0049

次に、この導波管接続構造を用いて、DUT200の導波管210と、補助導波管10と、導波管スイッチ20の入力導波管ブロック30と、接続導波管ブロック40と、出力導波管ブロック50と、を接続した場合のシミュレーションを行った。シミュレーションモデルは計算時間を短縮するため、図12のモデルをz軸方向で半分にしたようなモデルとした。すなわち、DUT200の導波管210から導波管スイッチ20の入力導波管31の途中までをシミュレーションの範囲とした。

0050

図6(a),(b)は、例として、DUT200の導波管210と導波管スイッチ20により選択される出力導波管51が共にWR−5導波管であり、導波管スイッチ20の入力導波管31がダブルリッジ構造のWR−3導波管である場合を想定したモデルである。シミュレーションモデルにおいては、導波管同士の接続のずれを模擬するため、補助導波管10をx,y方向にそれぞれ0.05mm移動させている。この値は、これまでの経験上から導波管同士の接続が最もずれた場合を想定した値である。なお、各導波管の端面間の隙間はないものとしている。

0051

シミュレーション結果を図7図9に示す。図7の結果は、図6のシミュレーションモデルに基づいており、WR−5導波管の使用周波数帯域である140GHz〜220GHzにおいて、高次モードの発生に起因する透過特性S21の低下が存在しないことを示している。

0052

また、図8の結果は、DUT200の導波管210と導波管スイッチ20により選択される出力導波管52が共にWR−4導波管であり、導波管スイッチ20の入力導波管ブロック30がダブルリッジ構造のWR−3導波管である場合を想定したシミュレーションモデルに基づいている。すなわち、図8の結果は、WR−4導波管の使用周波数帯域である170GHz〜260GHzにおいて、高次モードの発生に起因する透過特性S21の低下が存在しないことを示している。

0053

また、図9の結果は、DUT200の導波管210と導波管スイッチ20により選択される出力導波管53が共にWR−3導波管であり、導波管スイッチ20の入力導波管ブロック30がダブルリッジ構造のWR−3導波管である場合を想定したシミュレーションモデルに基づいている。すなわち、図9の結果は、WR−3導波管の使用周波数帯域である220GHz〜330GHzにおいて、高次モードの発生に起因する透過特性S21の低下が存在しないことを示している。

0054

以上の結果から、ダブルリッジ構造の入力導波管31と、入力導波管31と異なる寸法の方形導波管である導波管210とをテーパ導波管である補助導波管10を介して接続しても、スペクトラムアナライザの性能を劣化させない導波管スイッチ20を構成することが可能であることが確認できた。

0055

フロントエンド70a〜70cは、複数の出力導波管51〜53の第6の端面50b側がそれぞれ接続されており、DUT200の導波管210から出力されるミリ波帯の被測定信号を、後段のスペクトラム解析部90の解析可能な周波数範囲(中間周波数帯)に変換するようになっている。なお、各フロントエンド70a〜70cは、互いに異なる使用周波数帯域を有している。図10に示すように、各フロントエンド70a〜70cは、例えば、ミリ波帯の被測定信号から自身の使用周波数帯域を含む測定周波数範囲の信号成分を抽出する前置フィルタ71と、後述するローカル信号発生器83から出力されるローカル信号を周波数逓倍する逓倍器72と、逓倍器72の出力と前置フィルタ71により抽出された信号成分とをミキシングするミキサ73と、を有する。なお、DUT200の導波管210から出力されるミリ波帯の被測定信号の電磁波は、導波管スイッチ20により所望の使用周波数帯域を有するフロントエンド70a〜70cに選択的に出力される。

0056

フロントエンド70aは、使用周波数帯域140GHz〜220GHzを含む測定周波数範囲において、出力導波管(WR−5導波管)51から出力されたミリ波帯の被測定信号を所定の中間周波数帯にダウンコンバートするようになっている。フロントエンド70bは、使用周波数帯域170GHz〜260GHzを含む測定周波数範囲において、出力導波管(WR−4導波管)52から出力されたミリ波帯の被測定信号を所定の中間周波数帯にダウンコンバートするようになっている。フロントエンド70cは、使用周波数帯域220GHz〜330GHzを含む測定周波数範囲において、出力導波管(WR−3導波管)53から出力されたミリ波帯の被測定信号を所定の中間周波数帯にダウンコンバートするようになっている。

0057

スイッチ81は、導波管スイッチ20により選択されたフロントエンド70a〜70cの逓倍器72に、ローカル信号発生器83から出力されたローカル信号を出力するようになっている。一方、スイッチ82は、導波管スイッチ20により選択されたフロントエンド70a〜70cのミキサ73から出力された中間周波数帯の信号を選択して、スペクトラム解析部90に出力するようになっている。これらのスイッチ81,82は、扱う周波数が例えば40GHz以下程度まで低くなるので、導波管スイッチ20のような導波管型のものでなく、小型のリレー型や半導体スイッチ等で構成できる。

0058

ローカル信号発生器83は、例えばPLL回路を含み、ローカル信号を出力するようになっている。ローカル信号発生器83から出力されるローカル信号の周波数は、導波管スイッチ20により選択されるフロントエンド70a〜70cの使用周波数帯域に応じて制御部95により可変に設定される。なお、1つのローカル信号発生器83からのローカル信号をスイッチ81で切り替えて各フロントエンド70a〜70cに出力する上記の構成の代わりに、各フロントエンド70a〜70cにそれぞれローカル信号発生器を設ける構成としてもよい。

0059

スペクトラム解析部90は、各フロントエンド70a〜70cによって中間周波数帯に変換された信号を受けて、各フロントエンド70a〜70cの使用周波数帯域を含む測定周波数範囲における被測定信号のスペクトラム解析を行うものである。例えば、スペクトラム解析部90は、この中間周波数帯の信号をデジタル信号処理が可能な低い周波数帯に変換する周波数変換部91と、周波数変換部91によってより低い周波数帯に変換された信号に基づいて、被測定信号のスペクトラムを検出するスペクトラム検出部92と、を有している。

0060

周波数変換部91は、ヘテロダイン方式周波数変換処理を、ローカル信号の周波数を掃引しながら行うことで、ユーザが指定したフロントエンド70a〜70cから出力された信号を、デジタル処理が可能な周波数帯に連続的に変換する構成となっている。スペクトラム検出部92は、周波数変換部91の出力をデジタル信号に変換し、高速フーリエ変換処理等を行うことで、被測定信号のスペクトラムを求めるようになっている。

0061

スペクトラム解析部90によって検出された被測定信号のスペクトラムの情報は表示部93に出力され、例えば測定周波数を横軸、信号レベルを縦軸とする画面上にスペクトラム波形が表示される。表示部93は、例えばLCDやCRTなどの表示機器で構成され、制御部95からの制御信号に応じて、各種表示内容を表示するようになっている。さらに、表示部93は、各種条件を設定するためのソフトキープルダウンメニュー、テキストボックスなどの操作対象の表示を行うようになっている。

0062

操作部94は、ユーザが接続導波管ブロック40の複数のフロントエンド70a〜70cの中から使用したいフロントエンドを直接指定したり、所望の測定周波数範囲や周波数分解能等の情報を指定したりするためのものであり、それらの指定された情報に基づいて制御部95が各部の制御を行う。操作部94は、例えば表示部93の表示画面の表面に設けられたタッチパネルで構成される。あるいは、操作部94は、キーボード又はマウスのような入力デバイスを含んで構成されてもよい。また、操作部94は、リモートコマンドなどによる遠隔制御を行う外部制御装置で構成されてもよい。制御部95は、操作部94により指定された情報に応じて、導波管スイッチ20、スイッチ81,82の切替え、スペクトラム解析部90への解析に必要な情報の伝達等の処理を行う。

0063

例えば、操作部94によって指定されたフロントエンドが、WR−5帯(140GHz〜220GHz)のフロントエンド70aである場合、制御部95は、導波管スイッチ20の入力導波管31と出力導波管51の間を接続導波管41を介して接続するとともに、スイッチ81,82をフロントエンド70a側に接続する。

0064

また、操作部94によって指定されたフロントエンドが、WR−4帯(170GHz〜260GHz)のフロントエンド70bである場合、制御部95は、導波管スイッチ20の入力導波管31と出力導波管52の間を接続導波管42を介して接続するとともに、スイッチ81,82をフロントエンド70b側に接続する。

0065

また、操作部94によって指定されたフロントエンドが、WR−3帯(220GHz〜330GHz)のフロントエンド70cである場合、制御部95は、導波管スイッチ20の入力導波管31と出力導波管53の間を接続導波管43を介して接続するとともに、スイッチ81,82をフロントエンド70c側に接続する。

0066

なお、上記の説明では、フロントエンド70a〜70cの個数が3個であるとしたが、導波管スイッチ20の出力導波管51〜53の本数に応じて、2個であってもよく、4個以上であってもよい。

0067

以上説明したように、本実施形態に係る導波管接続構造は、リッジ構造の入力導波管31を備えているため、DUT200の導波管210と異種の入力導波管31とを接続する際に、所望の使用周波数帯域において高次モードの発生を抑えることができる。

0068

また、本実施形態に係る導波管接続構造は、DUT200の導波管210と入力導波管31とを接続するリッジ構造のテーパ導波管である補助導波管10を備えているため、補助導波管10における無用な反射の発生を防止しながら、DUT200の導波管210と入力導波管31とを接続することができる。

0069

また、本実施形態に係る導波管スイッチ20は、スペクトラムアナライザに適用された場合に、DUT200の導波管210と異種の入力導波管31との接続によるスペクトラムアナライザの性能劣化を抑制することができる。

0070

また、本実施形態に係る導波管スイッチ20は、入力導波管31が、最も使用周波数帯域が高い出力導波管53の開口の寸法と等しい寸法の開口を有する導波管にリッジ構造を設けたものとなっている。このように構成された入力導波管31は、最も使用周波数帯域が低い出力導波管51の使用周波数帯域の下限以下まで透過帯域を伸ばすとともに、最も使用周波数帯域が高い出力導波管53の使用周波数帯域の上限まで高次モードの発生を抑えることができる。

0071

また、本実施形態に係る導波管スイッチ20は、入力導波管31と複数の出力導波管51〜53とを接続するリッジ構造のテーパ導波管である複数の接続導波管41〜43を備えているため、各接続導波管41〜43における無用な反射の発生を防止しながら、入力導波管31と複数の出力導波管51〜53とを接続することができる。

0072

また、本実施形態に係るスペクトラムアナライザ100は、上記の構成の導波管スイッチ20により所望の使用周波数帯域を有するフロントエンド70a〜70cを選択できるため、DUT200の導波管210と異種の入力導波管31との接続による性能劣化を抑制することができる。

0073

10補助導波管
10a 一方の端面
10b 他方の端面
20導波管スイッチ
21ベース部
30入力導波管ブロック
30a 第1の端面
30b 第2の端面
31 入力導波管
31a 中央部
31b,31c 両側部
32a,32b 突出部
40接続導波管ブロック
40a 第3の端面
40b 第4の端面
41〜43 接続導波管
50出力導波管ブロック
50a 第5の端面
50b 第6の端面
51〜53 出力導波管
70a〜70cフロントエンド
83ローカル信号発生器
90スペクトラム解析部
100スペクトラムアナライザ
200 DUT
210 導波管

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